蒼山縣大青山鐵礦礦床水文地質(zhì)特征與涌水量預(yù)測

孫茂田，張忠濤

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州　272100)

蒼山縣大青山鐵礦礦床水文地質(zhì)特征與涌水量預(yù)測

孫茂田，張忠濤

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州272100)

山東省蒼山縣大青山鐵礦屬隱伏的鞍山式低品位鐵礦。該文分析了礦床的水文地質(zhì)條件，闡述了礦體蓋層、礦體圍巖及頂?shù)装逅牡刭|(zhì)特征。對研究區(qū)內(nèi)勘探孔進(jìn)行野外簡易水文地質(zhì)編錄和水文地質(zhì)鉆孔分層抽水試驗(yàn)，獲得了含水層厚度、影響半徑、滲透系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用“大井”涌水量計(jì)算法對礦體賦存各標(biāo)高段進(jìn)行涌水量預(yù)算，結(jié)果可為當(dāng)?shù)氐V床開采技術(shù)條件提供技術(shù)指導(dǎo)，也為同類研究提供實(shí)例。

水文地質(zhì)條件；模型計(jì)算；涌水量預(yù)測；大青山鐵礦；山東蒼山

引文格式：孫茂田，張忠濤.蒼山縣大青山鐵礦礦床水文地質(zhì)特征與涌水量預(yù)測[J].山東國土資源，2015,31(2)：19-23. SUN Maotian, ZHANG Zhongtao.Hydrogeological Characteristics and Water Inflow Prediction of Daqing Iron Deposit in Cangshan County[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(2):19-23.

礦床水文地質(zhì)條件和礦坑涌水量預(yù)測既可防治礦坑突水、淹水等礦山惡性事故，又是確定礦山疏干設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力的主要指標(biāo)；是礦產(chǎn)資源評價(jià)與開發(fā)利用工作的重要技術(shù)程序。對礦床水文地質(zhì)特征分析研究和礦坑坑道涌水量預(yù)測非常必要。以蒼山縣大青山鐵礦區(qū)礦床為研究區(qū)域，對區(qū)內(nèi)勘探孔進(jìn)行野外簡易水文地質(zhì)編錄和水文地質(zhì)鉆孔分層抽水試驗(yàn),從而獲得礦床水文地質(zhì)基礎(chǔ)性參數(shù)，為同類地區(qū)礦床水文地質(zhì)評價(jià)和開發(fā)提供指導(dǎo)作用[1-3]。

1　水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)氣象屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，1991—2012年平均降水量820.8mm，年最大降水量1399.3mm(1943年)，年最小降水量482.0mm(1988年)。年降水季節(jié)分布不均，多年平均蒸發(fā)量1380.6mm，最大凍土深度31cm。礦區(qū)北側(cè)約2.0km的會(huì)寶嶺水庫為區(qū)內(nèi)最大的地表水體，防洪水位高程78.25m，總庫容2.09億m3，水庫最大泄洪量1800m3/s。

研究區(qū)位于魯中南中低山丘陵碳酸鹽類水文地質(zhì)區(qū)，鄒城-棗莊單斜斷陷水文地質(zhì)亞區(qū)，蒼山斷塊巖溶水系統(tǒng)水文地質(zhì)小區(qū)的中部。地勢總體為北西高南東低，當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面為礦區(qū)南部的東新興大泉出露處，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高+48.00m。礦床礦體位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面之下。

1.1含水巖組的劃分

研究區(qū)地下水含水巖組劃分為松散巖類孔隙水含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組和基巖裂隙水含水巖組(圖1)[4]。

1—松散巖類孔隙含水層；2—碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙含水層；3—基巖裂隙含水層；4—實(shí)測斷層及產(chǎn)狀；5—斷層破碎帶；6—鐵礦體及編號；7—水文地質(zhì)分區(qū)分界線；8—研究區(qū)范圍；9—泉及編號圖1　大青山鐵礦區(qū)域水文地質(zhì)圖

1.1.1松散巖類孔隙含水巖組

分布于山前傾斜堆積平原地帶，由沖洪積、坡積或殘積物所形成，含水層巖性為第四紀(jì)含礫石砂質(zhì)粘土，一般厚度0～13.50m，厚度較薄，水位變化受大氣降水影響較大，富水性較弱。

1.1.2碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙含水巖組

含水層巖性主要為寒武紀(jì)朱砂洞組灰?guī)r、李官組石英砂巖、震旦紀(jì)佟家莊組粉砂巖和青白口紀(jì)二青山組灰?guī)r、石英砂巖等，巖石多裸露地表且裂隙巖溶發(fā)育不均勻，在構(gòu)造、地形有利部位往往有泉出露。地下水單位涌水量0.00275～0.095L/s·m，該含水層富水性弱—中等，屬富水性不均勻的裂隙巖溶水。

1.1.3基巖裂隙含水巖組

賦存于太古宙泰山巖群裂隙中，含水層巖性主要為山草峪組黑云變粒巖、黑云角閃片巖和磁鐵角閃石英巖等，鉆孔水位埋深55m，單位涌水量0.0016L/s·m，滲透系數(shù)0.025m/d，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小于0.5g/L，富水性弱。

1.2地下水補(bǔ)給徑流與排泄條件

1.2.1基巖丘陵區(qū)

大氣降水入滲是區(qū)內(nèi)裂隙巖溶水和基巖裂隙水的唯一補(bǔ)給源。研究區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖裸露區(qū)、碎屑巖及碳酸鹽巖裸露區(qū)，地表坡度較大，地表裂隙不發(fā)育，大氣降水大部分沿地表徑流，極少部分沿裂隙巖溶通道垂直滲入補(bǔ)給地下水，后轉(zhuǎn)為水平運(yùn)動(dòng)，在溝谷低洼處或斷層切割處以泉的形式排泄于地表。地下水流向與地形坡向、巖層傾向基本一致。

1.2.2山前平原區(qū)

研究區(qū)內(nèi)東南部分布山前沖洪積平原，有利于降水入滲補(bǔ)給，徑流條件良好。地下水的補(bǔ)給來源主要包括大氣降水直接滲入補(bǔ)給、地表水體和河流的側(cè)向補(bǔ)給、季節(jié)性的渠道和灌溉回滲補(bǔ)給及下部含水層的頂托補(bǔ)給。

地下水徑流由西北向東南，排泄方式為地下水開采、蒸發(fā)和徑流排泄區(qū)外。

2　含水層隔水層與斷層構(gòu)造

2.1礦體蓋層含水層

2.1.1松散巖類孔隙含水層

主要分布于礦區(qū)東部和南部的山前傾斜堆積低凹地帶，民井單位涌水量0.09～0.47L/s·m，地下水類型為HCO3-Ca型水。

2.1.2碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層

分布于礦區(qū)西部邊緣，白水牛石斷層(F1)以西，巖性為朱砂洞組中厚層灰?guī)r，民井單位涌水量1.389L/m·s，富水性中等。水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca型水，礦化度小于0.5g/L。

2.1.3碎屑巖類裂隙含水層

分布于礦區(qū)中部，棗莊斷裂以北，為礦區(qū)內(nèi)主要含水層。巖性主要為李官組石英砂巖、佟家莊組粉砂巖和二青山組灰?guī)r、石英砂巖，鉆孔單位涌水量0.000179L/s·m，滲透系數(shù)為0.0006～0.0018m/d，含水性為弱富水性[5]，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg或HCO3-Ca型水，礦化度小于1.0g/L。

2.2礦層圍巖及頂?shù)装辶严逗畬?/p>

含水層位于沉積蓋層之下，巖性為黑云變粒巖、黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖等，裂隙不發(fā)育，含水不豐富，滲透性微弱。經(jīng)鉆孔礦層及礦層頂?shù)装寤旌铣樗囼?yàn)[6]，鉆孔水位埋深55.39m，單位涌水量0.0016L/s·m，滲透系數(shù)0.025m/d，為裂隙承壓水，該巖層視為隔水層[5]，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小于0.5g/L。

2.3隔水層

隔水層主要為佟家莊組頁巖(厚5.90～16.70m)和二青山組頁巖(厚51.40～77.55m)，位于沉積蓋層中部。巖石較完整，結(jié)構(gòu)致密，層理較發(fā)育，裂隙不發(fā)育，含水極微弱，垂向上不透水，相對具有較好阻水作用，為良好隔水層；其次為黑山官組頁巖，位于沉積蓋層底部，不整合于泰山巖群含礦變質(zhì)巖系之上，巖石結(jié)構(gòu)致密，裂隙不發(fā)育，垂向上一般不透水，起到一定的隔水作用。

2.4斷層構(gòu)造

2.4.1白水牛石斷層

位于研究區(qū)西部，距離該礦床約1200m。斷層走向近SN，傾向W，傾角60°～70°，為W盤下降、E盤上升的正斷層。斷層破碎帶出露寬度約15～40m。上盤民井單位涌水量0.025L/s·m，滲透系數(shù)1.03m/d；下盤民井單位涌水量0.0003L/s·m，泉涌水量為0.061L/s。斷層破碎帶內(nèi)發(fā)育有厚度約4m的斷層泥，構(gòu)造角礫巖發(fā)育，膠結(jié)物成分為泥質(zhì)、硅鎂質(zhì)，膠結(jié)良好，為不透水?dāng)鄬?山東省地質(zhì)廳813隊(duì)，山東省蒼嶧鐵礦地質(zhì)勘探總結(jié)報(bào)告,1961年。

2.4.2F2斷層

位于研究區(qū)中部，斷層總體走向30°～40°，傾向NW，傾角54°～60°，延伸長度約2.6km，為W盤下降，E盤上升的正斷層。斷層構(gòu)造帶發(fā)育，破碎帶寬約2～7m，局部可達(dá)20余米。帶內(nèi)角礫巖和斷層泥發(fā)育，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較差。斷距較大，垂直斷距95～118m，水平斷距約120～150m，斷層切穿了上部蓋層和含礦地層及鐵礦帶，對蓋層和礦體具明顯錯(cuò)動(dòng)作用，破壞了礦體的連續(xù)性。水文地質(zhì)孔SZK005對斷層上下盤分別抽水時(shí)，斷層破碎帶內(nèi)單位涌水量0.00014L/m·s，滲透系數(shù)0.001m/d；斷層上盤黑云變粒巖、磁鐵角閃石英巖單位涌水量0.00161L/m·s，滲透系數(shù)0.025m/d，上盤穩(wěn)定水位標(biāo)高68.30m；斷層下盤黑云變粒巖單位涌水量0.000065L/m·s，滲透系數(shù)0.0001m/d，下盤穩(wěn)定水位標(biāo)高90.63m。斷層兩盤涌水量、滲透系數(shù)和靜止水位均具差異性，F(xiàn)2斷層視為不透水?dāng)鄬印?/p>

2.4.3F3斷層

位于研究區(qū)中南部，斷層總體走向49°，傾向NW，傾角78°，延伸長度約2.5km，為高角度正斷層。斷層兩盤地層巖石碎裂，局部發(fā)育斷層泥和角礫巖。斷層斷距較小，對蓋層略具錯(cuò)動(dòng)作用。該斷層距研究區(qū)礦體較遠(yuǎn)，透水性和導(dǎo)水性及其他水文地質(zhì)特性目前尚不明確。

2.4.4棗莊斷裂

位于研究區(qū)南部，為區(qū)域性斷裂，走向近EW，斷裂帶寬30～80m，帶內(nèi)發(fā)育構(gòu)造角礫巖。斷裂傾向S，傾角60°～80°，為高角度正斷層。斷層破碎帶角礫巖發(fā)育，鈣質(zhì)及粘土膠結(jié)良好，發(fā)育有斷層泥，為阻水?dāng)鄬樱蔀槟媳碧烊坏乃牡刭|(zhì)分區(qū)界線，分成了裂隙巖溶水含水區(qū)和基巖裂隙水含水區(qū)；斷層破碎帶的富水性隨出露位置和巖性不同而異，斷層?xùn)|部黑云變粒巖出露地段，民井涌水量0.051L/s；斷層?xùn)|側(cè)的東新興泉涌水量4.444L/s。

3　礦床充水條件分析

礦區(qū)內(nèi)沉積蓋層較厚，不整合于含礦地層及鐵礦帶之上，底部為隔水的黑山官組頁巖，阻隔蓋層地下水向下入滲，對礦床開采不會(huì)產(chǎn)生直接充水。

變質(zhì)巖裂隙含水層是礦床的直接充水水源，鉆孔抽水試驗(yàn)表明其含水性差，滲透性微弱；礦床內(nèi)的F2斷層切穿礦體，對斷層破碎帶及斷層上、下盤的黑云變粒巖分別進(jìn)行抽水實(shí)驗(yàn)，單位涌水量均小于0.1L/s·m，滲透系數(shù)為0.001m/d，視為阻水?dāng)鄬?；方清水庫為區(qū)內(nèi)唯一的較大地表水體，礦體圍巖導(dǎo)水性差，地表水體與地下含水層無直接水力聯(lián)系和溝通現(xiàn)象，水庫對礦體開采不會(huì)產(chǎn)生直接的水力聯(lián)系。

大氣降水和蓋層裂隙巖溶水為礦床間接充水起著補(bǔ)給作用。礦體頂板基巖裂隙水為礦床開采的直接主要充水水源[7]。

4　礦床坑道涌水量預(yù)測

4.1邊界條件的確定

礦床南、北兩礦帶礦體沿走向呈舒緩波狀展布，圍巖黑云變粒巖為弱含水的承壓含水層。F2斷層為阻水?dāng)鄬?，切割破壞了鐵礦帶，對F2斷層兩側(cè)分別預(yù)測礦坑涌水量。斷層兩側(cè)概化為直線隔水邊界附近的承壓完整井水文地質(zhì)計(jì)算模型[8-9](圖2)。

圖2　礦坑平面邊界條件示意圖

4.2礦床開采方式及計(jì)算公式選擇

礦體為陡傾斜層狀礦體，采用巷道方式開采，礦床頂部埋深+78～+226m，-55m以上多為蓋層。采用直線隔水邊界附近的承壓完整井公式分別對礦體-100m,-200m,-300m,-400m標(biāo)高涌水量進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)西部鄰區(qū)水文地質(zhì)條件相似的北辛莊鐵礦采坑排水資料，豐水期排水量是正常排水量的2倍，故最大涌水量按正常用水量2倍進(jìn)行計(jì)算。

4.2.1計(jì)算公式[8]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Q為坑道正常涌水量(m3/d)；Qmax為最大涌水量(m3/d)；K為滲透系數(shù)(m/d)；H為礦體及頂?shù)装搴畬铀^高度(m)；M為含水層厚度(m)；d為豎井到隔水邊界的距離(m)；S為水位降深(m)；R0為引用影響半徑(m)；r0為引用半徑(m)；ρ1-ρ2…ρ2n為多邊形頂及其多邊中點(diǎn)至重心的的距離(m)；n為多邊形頂角數(shù)。

4.2.2計(jì)算參數(shù)的確定

4.2.3預(yù)測結(jié)果

斷層上盤(F2斷層切割礦體左側(cè))：-100m標(biāo)高坑道正常涌水量118.55m3/d，最大涌水量237.10m3/d；-200m標(biāo)高正常涌水量318.17m3/d，最大涌水量636.34m3/d；-300m標(biāo)高正常涌水量527.98m3/d，最大涌水量1055.96m3/d；-400m標(biāo)高正常涌水量761.37m3/d，最大涌水量1522.74m3/d。

斷層下盤(F2斷層切割礦體右側(cè))：-100m標(biāo)高坑道正常涌水量1.92m3/d，最大涌水量3.84m3/d；-200m標(biāo)高正常涌水量6.61m3/d，最大涌水量13.22m3/d；-300m標(biāo)高正常涌水量11.70m3/d，最大涌水量23.40m3/d；-400m標(biāo)高正常涌水量17.12m3/d，最大涌水量34.24m3/d(圖3)。

圖3　坑道涌水量預(yù)測結(jié)果示意圖

預(yù)測結(jié)果與水文地質(zhì)條件相似的鄰區(qū)開采礦山北辛莊鐵礦涌水量對比分析，采深100m時(shí)礦坑正常排水量為144m3/d，與研究區(qū)坑道涌水量預(yù)測計(jì)算結(jié)果相近。參數(shù)的確定及公式的選擇合理，結(jié)果可為當(dāng)?shù)氐V床開采技術(shù)條件提供技術(shù)指導(dǎo)。

5　結(jié)語

(1)礦床采用井下坑道開采方式，未來礦山企業(yè)在坑道施工和開采過程中，應(yīng)邊探邊采，及時(shí)觀測水量、水質(zhì)變化，做到“早預(yù)測早預(yù)防”。為防止蓋層裂隙巖溶水通過構(gòu)造導(dǎo)水潰入坑道，礦體頂部及斷層附近均須留設(shè)防水保安礦柱。

(2)大青山鐵礦為頂、底板間接充水的水文地質(zhì)條件簡單—中等的以裂隙充水為主的礦床(第二類、第一型)。

(3)大青山礦區(qū)附近村莊及農(nóng)田較多，以后礦山生產(chǎn)時(shí)礦山疏干排水可滿足部分村莊生產(chǎn)及生活用水需求，實(shí)施礦山排水綜合利用，使礦坑水真正做到資源化開發(fā)利用。

[1]張本臣，劉喜信，孫傳斌，等.礦坑涌水量預(yù)測的影響因素分析[J].吉林地質(zhì)，2006，25(1)：58-61.

[2]朱昶，劉懷思，王強(qiáng)，等.山東省郗山稀土礦礦區(qū)西部水文地質(zhì)條件分析[J].山東國土資源，2013，29(5)：26-31.

[3]張俊峰.東鄉(xiāng)銅礦礦床水文地質(zhì)條件及礦坑涌水量預(yù)測(論文)[EB/OL].(2010-01-07)[2013-10-14]http://www.docin.com/p-41287717.html.

[4]中國地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊(第二版)[M].北京：地質(zhì)出版社，2012：93-100.

[5]GB12719—91.礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范[S].

[6]薛禹群，朱學(xué)愚.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1978.

[7]沈繼方，于青春，胡章喜，等.礦床水文地質(zhì)學(xué)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1992：1-56.

[8]地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊(duì).水文地質(zhì)手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，1985.

[9]供水水文地質(zhì)手冊編寫組.供水水文地質(zhì)手冊(第二冊)：水文地質(zhì)計(jì)算[M].北京：地質(zhì)出版社，1985.

Hydrogeological Characteristics and Water Inflow Prediction of Daqing Iron Deposit in Cangshan County

SUN Maotian, ZHANG Zhongtao

(Lunan Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Yanzhou 272100, China)

Daqingshan iron deposit in Cangshan county of Shandong province belongs to Anshan type low grade iron deposit. In this paper, hydrogeological conditions of this deposit have been analyzed, the cover layers, country rocks of ore bodies and hydrogeological characteristics of top and bottom roofs. Simple field hydrological geological logging and hydrogeological drilling stratification pumping tests of exploration holes in this area have been carried out, and obtained basic datas of aquifer thickness, radius of influence and permeability coefficient. By using inflow calculation method of "large wells", water inflow amounts of each elevation sections have been predicated. The obtained results can not only provide technical guidance for local mining, but also provide an example for the similar research.

Hydrogeological conditions; calculation model; inflow water prediction; Daqingshan iron deposit; Cangshan county

2013-10-14；

2013-12-05；編輯：王秀元

孫茂田(1963—)，男，山東東平人，工程師，主要從事礦區(qū)地質(zhì)勘查評價(jià)工作；E-mail:zhuchangh@163.com

TD742.1

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